新型态的微型天线设计.doc

新型態的微型天線設計方式
林宗輝／DIGITIMES
前言：所有的無線通訊標準都有其收發端，不論是收或者是發，皆需要有類似天線的結構存在，才有可能將空中的無線電波轉為電器訊號。然而不同的無線通訊標準基本上都有著不同的波長，收發器的設計可能可以共用，但是天線就必需要量身打造，而面對目前整合性越來越高，系統機構越趨小型化的情況下，合理的天線設計與多種天線的搭配方式，就成了1款產品的性能表現關鍵。
手機天線的設計
行動通訊業務可以說是目前市面上最火熱的無線應用之一，天線架構的設計可直接對通訊產品的通話品質、訊號接收能力產生最直接的影響。一般使用者的最基本需求，就是不論身在何處，都要能夠隨時處於連接狀態之中，傳統的天線設計方式已經逐漸無法滿足未來更為嚴苛的行動通訊要求。很多行動通訊產品製造商在設計產品時，在初期階段可能就已經把天線的設計加進通訊裝置的構型考量中，而非在行動通訊產品設計完畢之後，才另外加進去。由於外觀、PCB、結構、天線彼此之間相依相存，便理所當然的被視為1個整體，因此在初期設計階段便將天線空間與RF環境進行充分考量，這樣的設計方式也能得到相當不錯的天線性能表現。
但要是將天線視為附加的部件，而非整個系統的必要部分，在初始設計時，將外型與功能元件無限上綱，最後由於預留的空間不足，或者是構型無法達到理想的RF特性，天線在最後階段的佈建與測試甚至將會事倍功半。由於天線在佈建上忌諱與含金屬結構的元件接觸，即便有屏障，還是或多或少會對天線造成影響，這樣的設計方式，便很難達成理想的收訊品質。
手機通訊天線的分類
■ 倒F型天線
倒F型天線又稱為PIFA（Planar Inverted-F Antenna）天線，這種天線長的像是1個倒下來(或是躺下來)的F字型，內藏式手機天線大多採用這種形式的天線，但是缺點是頻率越低,其頻寬越小(跟單極天線比較),也越難設計。PIFA天線早在1960年代時代已經被使用在軍事以及航空用途。它包話了3部分：輻射面，短路機制，以及接地面。其中短路機制因不斷改良之後有短路棒，短路面，以及短路柱等3種型式。其天線操作波長大約四分之一。目前是小型化天線設計代表其中之一，目前主要應用於手機設計之中。
其結構方面，輻射體面積約為550-600mm2，與PCB主板TOP面的距離（高度）約為6-7mm。天線與主板有2個饋電點，1個是天線模組輸出，另1個是RF接地。天線的位置通常在在手機頂部。天線投影區域內有完整的接地，同時不要天線側安排元件，特別是馬達、揚聲器、接收器、FPC排線、LDO等較大金屬結構的元件和低頻驅動元件。這些元件對天線的接收性能有很大的負面影響。除了手機天線以外，PIFA天線也被廣為應用在Wi-Fi產品之中，一般來說，單頻的PIFA天線設計難度要比單極或偶極天線簡單，頻寬表現也較佳，但是應用在多頻系統上，體積與頻寬就很難取得平衡，新一代的手機多為多頻設計，頻寬要求也高，，在GND接地大幅減少的狀況下，除非提升餽點的數目，否則在發展上將會受到極大的限制。

■ 單極天線（monopole Antenna）
單極天線的輻射體面積300∼350mm²，與PCB板平面的相對高度約3∼4mm，天線輻射體與PCB的相對距離應大於2mm 以上。天線與主板只有1個饋電點，是模組輸出之用。天線的位置在手機頂部或底部。由於單極天線極為敏感，所以在天線投射區域內不可安排任何含較大金屬結構 的元件，比如說照相模組、揚聲器或者是麥克風等。單極天線同樣具有支架式與貼附式這兩種。而少數具備特殊架構的天線設計，比如說Motorola的V3等 超薄系列，都是以金屬絲成型在頂部立面上，此種設計難度較高，但是可以將手機的厚度有效的降低。
■ 碎形天線（Fractal antenna）
這種天線架構屬於比較新的天線設計概念，「碎形(Fractal)」這一概念是由法國數學家B.Mandelbrot於1975年首次提出的，這個名詞源於拉丁文的「破碎」。碎形具有兩大主要特徵：自我相似性和空間填充性(即分數維度)。分數維度是指，這些形狀的有效維度會超越其拓樸維度。碎形不同於一般的幾何形狀，它們會呈現出不規則狀或者是支離破碎狀，然而這些破碎的細微碎片多以相同的微縮尺寸比例出現。因此在許多時候，碎形也被稱為自我相似。
碎形技術是得益於數學上碎形物體的一些特殊性質所發展起來的技術。無論是自然界中的碎形，或者是數學上的碎形物體，都能夠通過簡單的演算法一步一步迭代生成，最終將能夠具有驚人的複雜結構。碎形的特性之一就是「分數維度」。這種特性使得碎形能夠在很小的體積內充分的利用空間，也是碎形技術能夠用於天線小型化設計的一個關鍵原因。
1) Koch單極天線
碎形用於天線小型化設計的第1個例子是Koch單極天線，得名於碎形Koch曲線。當在天線的設計中應用Koch曲線時，諧振頻率相對於傳統的線性單極天線以1．65的因數降低。所以Koch單極天線的高度比傳統的線性單極天線要少了40%左右，成效相當驚人。

圖說：KOCH曲線。（）
2) Hilbert碎形天線
另1個已實際應用於天線小型化設計的例子是Hilbert碎形天線。由於是由多節線段組成的，Hilben曲線是1種比傳統的曲線能夠覆蓋更多的空間的碎形曲線。事實上，這種曲線幾乎可以看作一系列的點來填滿整個的正方形表面(即便本身仍保持是條曲線)。利用這種特性，許多天線的尺寸都可以有效的微縮。截至目前為止，這種碎形天線多用於VHF和UHF系統中。

圖說：Hilbert曲線。（）
3) 碎形環天線
歐氏幾何中的環形天線有一定的侷限性：諧振環要求巨大的空間，小環的輸入阻抗很低等。而碎形環天線與之相比有如下優勢：
(1) 天線小型化。在佔用空間相同的情況下，碎形環能夠使天線環的周長延伸為無限長:在頻率較低時，天線可以在很小的空間內利用碎形曲線實現。
(2) 使得天線的輻射阻抗增加，藉以降低干擾。
(3) 碎形環天線具有更強的方向性。

目前的碎形環天線主要有Koch碎形環、Minkowski碎形環等。

圖說：koch曲線環。（www.ncu.edu.tw）

圖說：Minkowski碎形環。（www.home.hccnet.nl）
目前台灣已有資茂科技利用碎形技術，設計出應用於3G手機的天線，就由碎形天線，手機可以比過去的架構提升更多的資料傳輸效率，滿足消費者對於資料、視訊、音效的傳輸要求。資茂科技的技術團對來自於工研院，是台灣茂矽集團下的專業無線射頻前端產品設計及製造公司。利用設計RFID天線的經驗，將碎形天線引進手機結構中。
天線的屏障材料應用趨勢
為了達成多種標準的整合，就必須先將RF元件訊號的整合度提高。由於天線是無線系統的關鍵部分，因此在開發概念上，就必須依循著天線的設計概念獲可能面臨的問題來解決。
■ 新型屏障材料的引進
要將天線設計到系統之中，主要解決的問題，就是要克服EMI電磁干擾的問題。隨著各種不同的應用系統，在使用了更多的功率元件以及提高封裝密度以後，由於晶片與電路、電阻所產生的廢熱，就必需要藉由更有效的手段來消除，雖然這跟EMI干擾並無直接關聯，但是藉由屏障材料與高熱介值材料進行結合，藉此可以滿足系統在散熱與訊號屏障的雙重要求。
除了結合屏障詞料與高熱介值材料這種方式以外，近來也開始有利用有機屏障材料（OSM）來進行對電磁波干擾的抑制，這種採用富勒烯形式的純有機材料在特殊變性處理後會形成導電的塑膠，在特殊的電磁波屏蔽方面，尤其在高頻、微波頻段，將具有優秀的吸收和屏蔽作用，因此在天線設計中獲得日益廣泛的應用。而在其他材料的研究與應用上，先進國家也對電磁屏障的材料進行多種研究，並且已經將技術轉移給產業界，形成生產各種類別與系列規格的電磁屏障材料產品。目前，已有單層Ag及Ag包覆層的塗料、Ni塗料、Cu塗料，Ni-P合金鍍層及Al濺射層，泡沫金屬，各種襯墊、導電膠、屏蔽窗以及各種金屬纖維(或粉末)或碳黑和磁性鐵氧體粉填充塑膠等系列電磁屏蔽材料產品。其中，以塗料為主導產品，其屏蔽效能達到40dB以上。而國外的發展趨勢是開發多組整體或多層復合屏障材料。隨著行動無線設備的普及應用，基於新型電磁屏障材料所開發的一系列板材及產品的市場有望達到高速成長。
多無線標準的整合型設計

圖說：多無線標準整合的三種方式。（www.ST.com）
隨著多種無線技術標準在行動無線通訊設備中走向融合，在一般研發概念上，直覺便是要求在行動無線設備中整合更多的天線，因此，對於電子系統設計工程師和技術管理人員來說，掌握天線技術發展的趨勢，瞭解它對電子設計、製造和測試的潛在影響有著重要的現實意義。然而隨著多種無線技術標準在行動無線設備中獲得應用，在開發上，便會去尋求如何讓行動無線設備以更有成本效益的方式來達成支援多個頻段以及多種不同的調變方式。就目前來說，多種無線標準在行動無線設備中的整合將遵循入門級、中階和高階三種技術方案，而採用CMOS數位無線電技術和可配置無線電技術，是將來未來較為優秀的解決方案。
要在無線電技術中導入變頻技術的話，就必須從3個關鍵技術來著手。這3個關鍵技術分別是：天線、基頻處理與RF下行轉換技術。在直接變頻方案中，接收與發設計彼此之間就會變得非常敏感，在隔離度上會有特別嚴格的要求。然而在寸土寸金的行動通訊裝置中，要營造出足夠的隔離度是件很困難的事，為了解決隔離度的問題，某些企業著手研究基於磁場隔離與RF微機電的天線可重配置技術，其核心技術乃是採用一種利用微機電（MEMS）技術製造的人工磁導體（artifical magnetic conductor），此項技術的特點在於導體的邊界為零，因此很容易將天線直接做在AMC表面的頂層，從而在獲得高效率的輻射的同時，也能使天線與PCB、手機以及使用者的頭部、手臂達成非常高的隔離度。
為何要追求高隔離度？由於使用AMC製作而成的接地板上，能將兩組天線背靠背安裝於非常狹小的空間內，且彼此幾乎不存在干擾，因此利用AMC的技術，有可能將收發天線單獨製作成1個元件之內，而且該元件幾乎不會受到任何干擾，也不會干擾到其他元件，利用這樣的特性，收發天線的匹配也將更為容易。此外，從開關，到前端的多工器、濾波器等，也能因為收發天線可以獨立工作而加以省略。結合自動化的調諧電路，可配置天線技術可以達到非常寬的工作頻率。

圖說：可重定義的無線收發器將是未來天線架構的極致。（www.ST.com）
傳統的天線設計過程中，工程師必須等待電子系統內部的其它元件位置固定下來，才能開展天線設計。據報導指出，基於AMC技術的天線具有控制RF訊號傳播路徑的獨特能力，因而，電子系統設計人員便能夠事先根據產品的大小、外形和內部元件的配置來進行天線設計。這對於總是困擾於無法有效提升天線效率的特定工程師而言，不啻是個革命性的好消息。
藉IMD天線達成多重架構整合

圖說：IMD天線與一般PIFA天線的差別。（www.E）
隔離磁偶極子天線(Isolated Magnetic Dipole, IMD)是Ethertronics的獨家技術。根據該公司指出，利用IMD技術，系統製造商能夠把越來越多的功能整合到它們的設備之中，並持續縮小整個手機和其它便攜無線設備的外形尺寸。採用IMD技術設計的天線的主要特色在於：
• 限制天線單元上的電流
• 最佳化天線的隔離以提供更多的天線整合能力
• 以更緊湊的形狀因子實現最小化SAR(輻射吸收率)
• 容許RF工程師獨立地調節天線和天線的饋線
據該公司資料指出，利用IMD技術可以把手機、行動電視接收機、GPS、藍牙、WiFi和WiMAX的多種天線都可以整合在一起，從而為行動無線設備提供更為強大的功能，以及更為輕薄的體型。往後的天線設計趨勢，將以行動電話天線為主體，並結合2或多個次要的天線，包括GPS、藍牙、Wi-Fi，甚至是RFID天線（所為手機感應付款）等等，毫無疑問的，IMD天線，或者是類似的技術，將是行動無線設備的天線設計領域中，不得不跟隨的潮流。
隨著多種天線在行動無線設備上的整合，我們可以預見，傳統的「各自為政」式的天線設計方法將難以適應發展的需要。在多天線行動無線設備的設計中，天線設計、電磁屏蔽和熱管理的協同設計將對過去的設計方法和流程產生衝擊，值得相關設計人員關注。隨著新材料和天線設計新技術的發展，多天線整合能力將為電子系統製造商進行設計創新提供更多的選擇。